mmexport1509800631370

(20161104秋游照)

 

2016年11月4日,课题组10人去往栖霞山,开启了一次自助烧烤与登山之旅

时隔一年,队伍壮大,烧烤大军又一次“入侵”老山森林公园

这次,我们已经手法娴熟,有条不紊

 

美食

(烧烤食材部分展示)

 

肉足饭饱去爬山,拖着多了几斤的肚子爬山真的好累哦

不过若想登顶看到最远的景色还是要有坚持的毅力与决心

当然,还少不了大家彼此之间的鼓励与陪伴

 

mmexport1509799402012

(20171103秋游照)

 

如此有爱又有趣的课题组

当然欢迎朝气可爱又奋进的你的加入了

我们的老师和师兄师姐都在这里等你

 

together

(课题组成员)

 

we are right here waiting for you ~ 

 

 

20170522答辩 007 1

庞斌同学答辩中

 

20170522答辩 017 1

答辩老师现场讨论

 

20170522答辩 019 1

课题组同学到场支持

 

20170522答辩 026 看图王1

答辩委员会全体成员(左起:姚淑华老师,陈延彬老师,庞斌,周健老师,熊烨老师,张善涛老师,王瑞雪博士后)

 

  毕业,说起来是件人生大事,硕士毕业,更是如此。

庞斌,

恭祝你硕士研究生顺利毕业,

不要忘记,

陪伴你三年的,

可亲可敬的各位老师,

朝气蓬勃又勤奋进取的师弟师妹和师兄师姐,

还有唐仲英A207的那张办公桌。

未来路还很长,青春还没有散场,

祝你毕业快乐,前程似锦!

 

 

    我校固体微结构物理国家重点实验室、物理学院、现代工程与应用科学学院材料科学与工程系、南京微结构科学与技术协同创新中心陈延彬、姚淑华和周健研究组在第二类外尔半金属手性反常的研究方面取得重要进展。该结果以《Experimental Observation of Anisotropic Adler-Bell-Jackiw Anomaly in Type-II Weyl Semimetal WTe1.98 Crystals at the Quasiclassical Regime》为题,于201733日发表在《Physical Review Letters[118, 096603 (2017)]

外尔半金属是一种新颖的量子态,其电子的色散关系存在着成对的手性相反的外尔点,这对外尔点可以看成是倒空间中一对正负磁荷(magnetic monopole)。这对磁荷在磁场的作用下发生类似于Zeeman效应的能级劈裂,从而导致不同手性的电子密度的不同。因此,当外加电场与磁场平行时,倒空间中不同手性间的散射由于正负手性Weyl点间的距离增加而导致相应的谷间散射(intervalley scattering)减弱,从而产生了负磁阻效应,既所谓手性反常。图一是在磁场作用下一对手性相反的狄拉克锥在倒空间被拉开的示意图。该效应最早由Adler, BellJackiw在粒子物理中提出(简称为ABJ效应)。最近,该效应在凝聚态物理中的外尔半金属也被观察到。

 


图一、在磁场作用下一对手性相反的狄拉克锥在倒空间被拉开的示意图。

 

我们研究组精确控制晶体生长和退火工艺,研制成功WTe1.98晶体并发现了各向异性ABJ-效应:在a-b-方向均发现了ABJ-效应。图二是WTe1.98晶体沿着a-b-方向的磁阻随温度、磁场与电场间的夹角间的实验关系。详细的数据拟合证明沿着b-方向的ABJ-效应系数比沿着a-方向的大70%。这个实验结果看似与理论预言的二类外尔半金属特征(2)不吻合,但输运理论分析表明该预言仅适用于理想量子条件,而在经典近似条件下,第二类外尔半金属的ABJ效应仍然是各向同性的。我们的实验结果则正好位于极端量子情况和经典近似情况之间,即处于准经典区域,因此作为一个自然的过渡,我们在a-b-方向都观察到了ABJ效应,但是b-方向的ABJ效应较强。

 

图二、ABJ效应导致的负磁阻强烈地依赖于温度以及磁场和电场间的夹角。

 

实验还发现:温度大于30KABJ效应就消失了。其可能的原因是温度导致的拓扑转变。为了证明这个推测,又测量了从20 K300 KWTe2晶体的晶格常数变化。利用第一性原理计算证明:外尔点仅在60 K以下才出现,而在60 K以上外尔点处出现了一个非常小的能隙。这充分说明WTe2第二类外尔半金属态对晶格常数/温度异常敏感。

这个工作证明:第二类外尔半金属在准经典条件下会出现各向异性的ABJ效应;对于WTe2材料,其二类外尔半金属态对于温度/晶格常数非常敏感。这些结果展示了第二类外尔半金属材料丰富的物理特性,深化了对第二类外尔半金属材料这一类新的拓扑材料物理的认识。

 

 

 论文链接:Phys. Rev. Lett. 118, 096603 – Published 3 March 2017

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

我校现代工程与应用科学学院材料科学与工程系、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心周健副教授、陈延峰教授研究组在量子化拓扑霍尔效应方面取得重要进展:该结果以《Predicted Quantum Topological Hall Effect and Noncoplanar Antiferromagnetism in K0.5RhO2》为题,于2016620日发表在《Physical Review Letters[116, 256601 (2016)]

霍尔效应(Hall effect)是指在一个通有电流的导体中,如果施加垂直磁场,则在垂直于磁场和电流的方向上产生一个横向电压的现象。这一现象由E. H. Hall1879年发现,次年他进一步发现:在铁磁导体中的霍尔效应远大于非磁材料,甚至在不加外磁场时也会有霍尔效应,被称为反常霍尔效应(anomalous Hall effect)。对于霍尔效应,可以用简单的洛伦磁力来解释,而本征的反常霍尔效应则需要利用电子的自旋轨道耦合和Berry曲率才能够得到解释。

在霍尔效应发现100年后,德国物理学家von Klitzing1980年发现了量子霍尔效应,即整数量子霍尔效应。美籍华裔物理学家崔琦则于1982年发现了分数量子霍尔效应。对应于反常霍尔效应的量子化更为扑朔迷离,直到2013年,我国清华大学和中科院物理所的研究团队才在铁磁掺杂的拓扑绝缘体(Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3)中实现了量子化反常霍尔效应(quantum anomalous Hall effect, QAHE),从而成为继量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应之后的量子霍尔效应家族的最后一位成员

但事实上,反常霍尔效应可以更“反常2001年,东京大学Nagaosa教授等提出:如果一个巡游电子经过一个非共面磁结构,就会获得一个Berry相位γ=Ω/2,其中Ω=S1•(S2×S3)代表三个自旋矢量张成的立体角,也就是scalar spin chirality,如图1所示。这个Berry相位等效于一个外磁场,从而可以产生巨大的反常霍尔效应。人们把这种由非共面磁性所造成的反常霍尔效应称之为非常规的反常霍尔效应(unconventional anomalous Hall effect)或者拓扑霍尔效应(topological anomalous Hall effect, THE)。目前人们已经在多个体系中证实了THE的存在。比如最近在室温下观察到Mn3Sn中具有的巨大的反常霍尔效应就是来自于这种非共面磁性。在Skyrmions体系中也观察到了THE

 

fig1

1. 三个非共面的磁矩张成一个立体角

 

那么这种“反常的反常霍尔效应是否可以实现量子化呢,即是否存在量子化拓扑霍尔效应(quantum topological Hall effect, QTHE)呢?目前关于这方面的研究非常少。而我们的工作第一次通过第一性原理计算预测层状Rh氧化物材料K0.5RhO2可能会具有QTHE

KxRhO2是一个由RhO2层和K层交替排列形成的层状材料(图2(a)),其中RhO2层形成二维的三角晶格。当x=0.5时,我们通过计算并比较了大量不同磁结构的能量,发现该材料具有一个特别的磁基态:全出/全进的非共面反铁磁(图2(a)(b)),该磁结构元胞为晶体学元胞的4倍(2×2×1)。从能带上看,该材料具有一个0.22 eV左右的能隙,而且在能隙中,具有量子化的反常霍尔电导,(图2(d))。我们计算了该体系的陈数,发现一个元胞中的陈数是2,这是因为一个元胞里有两层RhO2,每一层的陈数为1,所以总的陈数为2。理论上预言,具有非零陈数的体系可表现为内部是很好的体态绝缘性质,而在边界上存在手性拓扑导电态,可无耗散地传输电流从而极大地降低器件的能耗,因此在材料科学和电子学中具有巨大的应用潜力。

在上述的计算中,我们并没有包含自旋轨道耦合,非共面的磁结构来自于三角晶格的自旋阻错。如果进一步考虑到自旋轨道耦合的作用,则结果类似(如图2(e))。通过简单的海森堡模型估算出该体系磁结构的奈耳温度在20 K左右,远高于目前实验上的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3体系的温度。

因此,我们通过第一性原理预测:K0.5RhO2中可能存在一种新的QAHE—QTHE。该效应的特别之处在于:它不需要自旋轨道耦合,也不需要系统具有净磁矩或者铁磁性,完全可以在净磁矩为零的反铁磁材料中实现QAHE。该工作为实验上寻找其它的QAHE体系提供了新的思路。

我校工学院周健副教授和绍兴文理学院物理系梁奇锋副教授为共同第一作者,我校工学院陈延峰教授和台湾大学物理系郭光宇教授为共同通讯作者,北京物理所翁红明研究员、我校工学院姚淑华副教授、物理学院陈延彬副教授和董锦明教授参与了本工作。本工作得到了项目得到了国家重点基础研究发展计划(973计划)和国家自然科学基金委项目等基金的支持。

论文连接:http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.256601

 

fig2

2. (a) K0.5RhO2的全出/全进的磁结构元胞,绿色箭头代表Rh离子磁矩的方向;(b) 一层RhO2层形成的三角晶格及其磁矩;(c) 一层RhO2层中四个Rh离子上的磁矩张成一个Bloch球面,其立体角为4π,因此对应的Berry相位为,陈数为1(d) 不考虑自旋轨道耦合时,全出/全进磁结构的能带图(左)和对应的反常霍尔电导随费米能的变化;(e)同图(d)类似,但是考虑了自旋轨道耦合效应。

 

物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构科学与技术协同创新中心的李绍春教授与陈延彬副教授合作,在表征二维拓扑绝缘体方面取得了重要进展,相关研究成果以《Experimental Observation of Topological Edge States at the Surface Step Edge of the Topological Insulator ZrTe5》为题,于2016年04月28日在线发表在Physical Review Letters [PRL 116, 176803 (2016)]。南京大学物理学院博士生李向兵,已毕业硕士生黄文凯,和工学院博士生吕洋洋为论文的共同第一作者。李绍春教授和陈延彬副教授为论文的共同通讯作者。南京大学陈延峰教授和邢定钰院士指导了本文工作。邢定钰院士在论文的写作方面给予了大力的支持。其它单位的参与者包括清华大学的薛其坤院士和上海交通大学的贾金锋教授。

二维拓扑绝缘体由于具有量子自旋霍尔效应而最近备受学术界的关注。二维拓扑绝缘体的特点是,具有带隙的体能带结构和拓扑保护的一维边界态。在实验上寻找结构稳定的大能隙二维拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域的一个研究热点,致力于提高量子自旋霍尔效应的工作温度。近年来,很多研究工作都聚焦于ZrTe5, 该材料很有可能是一种良好的二维拓扑绝缘体。然而ZrTe5的三维体相的拓扑性质却存在极大的争议。理论计算表明体相ZrTe5是弱拓扑绝缘体或者强拓扑绝缘体,而大量的实验结果显示ZrTe5的体相具有半金属行为。在本工作中,我们首次利用高分辨的扫描隧道显微技术在实空间的原子尺度上精确表征了ZrTe5的体态和边界态,并发现在表面台阶处具有一维的拓扑边界态,而体能带具有100 meV左右的带隙,从而证实了ZrTe5是一种新的大带隙二维拓扑绝缘体。另外,我们还在实验上首次观察到了一维拓扑边界态在磁场下的响应。在外磁场作用下,能量简并的一维边界态发生了能量劈裂。这种边界态在能量上的劈裂与其体能带在磁场下的变化有密切的关系,并且与理论模型相吻合。

ZrTe5材料具有高质量的单晶性和理想的一维表面台阶结构,为进一步研究基于二维拓扑绝缘体界面的奇异物理现象提供了良好的材料平台,比如探寻Majorana费米子或者反常量子霍尔效应等等。

本工作的完成得益于南京大学在三个方面的完美合作,包括高质量单晶样品的制备(陈延彬、陈延峰),高分辨的低温扫描隧道显微术表征(李绍春)和理论模型的支持(盛利、邢定钰)。

 

ZrTe5 paper

 

文章发表于 Physical Review Letters 116, 176803 (2016).

全文链接:  http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.176803

2016年5月21日